《細胞膜電位》ppt講義恩格斯在100多年前總結自然科學成就時強調：“地球幾乎沒有一種變化發生而不同時顯示出電的現象”；生物體其實也不例外。事實上，在希臘僅存史前古文字中，已有電魚擊人的記載；但對于生物電現象的研究，只能是在人類對于電現象通常規律和本質有所認識之后，并隨著電檢測儀器的精密化而日趨深入目前，對健康人和病人進行心電圖、腦電圖、肌電圖，甚至黃斑電圖、胃腸電圖的檢測，早已成為發覺、診斷和估量疾患進程的重要手段；人體和各臟器的電現象的形成，是以細胞水平的生物電現象為基礎的，心電圖機腦電圖機肌電圖機黃斑電圖儀腸道電圖儀第1節剌激與反應十九世紀中后期的生理學家用兩棲類植物做實驗時，發覺烏龜或蟾蜍的個別組織在離體的情況下，也能在一定的時間內維持和表現出個別生命現象。這種生命現象的表現之一是：當這種組織遭到一些外加的剌激誘因（如機械的、化學的、溫熱的或適當的電剌激）作用時，可以應答性出現一些特定的反應或暫時性的功能改變。那些活組織或細胞對外界刺迸發生反應的能力，就是生理學最早對于激動性()的定義諸如，把蟾蜍的腓腸肌和支配它的神經由體內剝離下來，制成神經-胸肌標本，這時假若在神經游離端兩側輕輕地打動神經，或通以適當的電壓，這么在經過一個極短的潛伏期后，可以看見胸肌出現一次快速的減短和舒張；如把剌激直接施加于胸肌，也會造成類似的收縮反應；并且只要剌激不引起組織的損傷，上述反應可以重復出現。
這就是神經和胸肌組織具有激動性能證明。實際上，幾乎所有活組織或細胞都具有某種程度的對外界刺迸發生反應的能力，只是反應的靈敏度和反應的表現方式有所不同。在各類植物組織中，通常以神經和肌細胞，以及個別腺細胞表現出較高的激動性；這就是說它們只需接受較小的程度的剌激，才能表現出某種方式的反應，因而稱為可激動細胞或可激動組織。不同組織或細胞受剌激而發生反應時，外部可見的反應方式有可能不同，如各類肌細胞表現機械收縮，腺細胞表現分泌活動等，但所有那些變化都是由剌激造成的，因而把這種反應稱之為激動（）。隨著電生理技術的發展和資料的積累，激動性和激動的概念有了新的涵義。大量事實表明，各類可激動細胞處于亢奮狀態時，盡管可能有不同的外部表現，但它們都有一個共同的、最先出現的反應，這就是受剌激處的細胞膜外側出現一個特殊方式的電變化（它由細胞本身所形成，不應與作為剌激使用的外加電剌激相混淆），這就是動作電位；而各類細胞所表現的其他外部反應，如機械收縮和分泌活動等，實際上都是由細胞膜的動作電位進一步觸發和引發的。在神經細胞，非常是它的延續很長、起著信息傳送作用的軸突（神經纖維），在受剌激而激動時并無肉眼可見的外部反應，其反應只能用靈敏的電檢測儀器能夠測出的動作電位。
在多數可激動細胞（以神經和骨骼肌、心肌細胞為主），當動作電位在受剌激部位形成后細胞膜電位，還可以順著細胞膜向周圍擴布，使整個細胞膜都形成一次類似的電變化。神經細胞示意圖既然動作電位是大多數可激動細胞受剌激時共有的特點性表現，它不是細胞其他功能變化的伴隨物，而是細胞表現其他功能的前提或觸發誘因，因而在近代生理學中，激動性被理解為細胞在受剌激時形成動作電位的能力，而激動一詞就成為形成動作電位的過程或動作電位的同義語了。只有這些在受剌激時能出現動作電位的組織，能夠稱為可激動組織；只有組織形成了動作電位時，才會說組織形成了激動?？梢詫ι鲜錾窠?胸肌標本的現象描述如下：當剌激作用于坐骨神經某一點時，因為神經纖維具有激動性而出現激動，即形成了動作電位，此動作電位（常稱為神經沖動）順著神經纖維傳向它們所支配的骨骼肌纖維，通過神經-肌接頭處的激動傳遞，再造成骨骼肌細胞激動而形成動作電位，之后是動作電位沿整個肌細胞膜傳遍整個肌細胞，并觸發了細胞內收縮蛋白質的互相作用，表現出胸肌一次快速的收縮和舒張。剌激導致激動的條件和閾剌激具有激動性的組織和細胞，并不對任何程度的剌激都能表現激動或出現動作電位。剌激可以泛稱細胞所處環境誘因的任何改變；泛指各類能量方式的理化誘因的改變，都可能對細胞構成剌激。
在實驗室中，常用各類方式的電剌激作為人工剌激，拿來觀察和剖析神經或各類胸肌組織的激動性，測度激動性在不憐憫況下的改變。這是由于電剌激可以便捷地由各類電儀器（如電脈沖和方波發生器等）獲得，它們的硬度、作用時間和硬度-時間變化率可以容易地控制和改變；而且在通常情況下，就能造成組織激動的電剌激并不導致組織損傷，因此可以重復使用。實驗表明，剌激要造成組織細胞發生激動，必須在以下三個參數達到某一臨界值：剌激的硬度剌激的持續時間剌激硬度對于時間的變化率（即硬度對時間的微分）不僅這般，這三個參數對于導致某一組織和細胞的激動并不是一個固定值，它們存在著互相影響的關系。為了說明剌激的各參數之間的互相關系，可以先將其中一個參數固定于某一數值，之后觀察其余兩個的互相影響。比如，當使用方波剌激時，因為不同大小和持續時間的方波上升支都以同樣極快的降低速度達到某一預定的硬度值，因此可以覺得上述第三個參數是固定不變的，而每一方波電剌激能夠導致激動，就只決定于它所達到的硬度和持續的時間了信噪比：在一串理想的脈沖周期序列中（如方波），正脈沖的持續時間與脈沖總周期的比值在神經和肌組織進行的實驗表明，在硬度-時間變化率保持不變的情況下，在一定的范圍內，造成組織激動所需的最小剌激硬度，與這一剌激所持續的時間呈反變的關系當剌激的硬度較大時，它只需持續較短的時間就足以引進組織的激動，而當剌激的硬度較弱時，這個剌激就必須持續較長的時間才會導致組織的激動。
但這個關系只是當所用硬度或時間在一定限度內改變時是這么。假如將所用的剌激硬度降低到某一數值時，則這個剌激不論持續多么長也不會導致組織激動；與此相對應，假如剌激持續時間逐漸減短時，最后也會達到一個臨界值，即在剌激持續時間大于這個值的情況下，無論使用多么大的硬度，也不能導致組織的激動。假如用較小的剌激硬度能夠激動的組織具有較高的激動性，這么，這個硬度小的程度，還要決定于這個剌激的持續時間和它的硬度-時間變化率。為此，假如要簡單地用剌激硬度這一個參數來表示不同組織激動性的高低或同一組織激動性的波動，就必須使所用剌激的持續時間和硬度-時間變化率固定為某一數值（應是中等程度的）；這樣，就能把造成組織激動、即形成動作電位所需的最小剌激硬度，作為評判組織激動性高低的指標；這個剌激硬度稱為閾硬度或閾剌激，簡稱閥值（）。硬度大于閥值的剌激，稱為閾下剌激；閾下剌激不能導致激動或動作電位，但并非對組織細胞不形成任何影響。閥值越小，說明組織的激動性越高。第2節細胞的靜息電位細胞水平的生物電現象主要有兩種表現方式，這就是它們在安靜時具有的靜息電位和它們遭到剌激時形成的動作電位。體內各類臟器或多細胞結構所表現的多種方式的生物電現象，大都可以按照細胞水平的那些基本電現象來解釋。
靜息電位指細胞未受剌激時存在于細胞內外兩邊的電位差。當兩個電極都處于膜外時，只要細胞未遭到剌激或損傷，可發覺細胞外部表面各點都是等電位的；這就是說，在膜表面任意聯通兩個電極細胞膜電位，通常都不能測出它們之間有電位差存在。但若果讓微電極平緩地往前推動，讓它刺傷細胞膜步入膜內，這么在電極尖端剛才步入膜內的頓時，在記錄儀器中將顯示出一個忽然的電位躍變，這表明細胞膜內外兩邊存在著電位差。K+Na+Cl-Na+Cl-K+膜內膜外離子含量差電位差在靜息狀態下，細胞膜內K+的高含量和安靜時膜主要對K+的私密性，是大多數細胞形成和維持靜息電位的主要誘因。（K+的平衡電位）膜外側的電-物理（含量）勢代數和為零時，將不會再有K+的跨膜凈聯通K+多Cl-少Na+少內負外正膜電位膜內電位線性變化的一維膜模型dΦ(0)Φ(d)Intra--對于K+對上式從x=0到d積分Vm為跨膜電位，d為膜厚。設某種溶質的脂水分配系數為k，其定義為：式中Cm及Cw分別代表溶質在脂內和在水底的溶化度。定義鉀的私密性Pk在細胞膜中，與鉀一起有著重要作用的還有鈉電壓JNa和氯電壓JCl。
總離子電壓為各組成部份之總和，即為：總的鉀離子通常而言，生物膜并不能讓所有的離子處于平衡中，假如對常見的組分估算K、Na、Cl的電位，其數值都不同。為此，靜息狀態僅僅能用穩態來代表，即下述三種假設的條件下推論下來的：（1）如在堿液中一樣，膜內離子也是在電場和含量梯度的影響下聯通的；（2）貼近膜的細胞內離子含量和與其鄰接的氨水中的離子含量相等；（3）膜內的電場梯度是均一的——方程/戈德曼多項式F是法拉第常數，R是二氧化碳常數，T是絕對濕度，P是通透常數，e(extra)、i(intra)是細胞外，內的離子含量。電位K+的電位烏賊神經軸突細胞離子含量（mmol/L)細胞內細胞外K++-+的電位為：檢測得到烏賊軸突細胞的靜息電位約為-70mV，因而在靜息時K+是接近（但不完全是）平衡的。1939年(霍奇金)等借助了槍烏賊的巨大神經纖維和較精密的示波器等檢測儀器，第一次精確地測出此標本的靜息電位值，結果發覺此值和估算所得的K+平衡電位值十分接近而略大于前者；如在一次實驗中測得的靜息電位值為－77mV，而按當時[K+]e和[K+]i值算出的Ek為－87mV。
大多數細胞的靜息電位的形成，是因為正常細胞的細胞內液高K+而膜在安靜時又主要對K+有通透能力的結果；至于靜息電位的數值為什么略大于理論上的Ek值，通常覺得是因為膜在靜息時對Na+也有極小的私密性（大概只有K+私密性的1/50～1/100）的緣故；因為膜外Na+含量小于膜內，雖然小量的Na+逸入膜內也會抵消一部份K+外移導致的膜內負電位。第3節神經細胞神經元也叫神經細胞，是構成神經系統結構的基本單位。神經元是具有長凸出的細胞，它由細胞體和細胞凸出構成。細胞體坐落腦、脊髓和神經節中，細胞凸出可延展至腰部各臟器和組織中。細胞體是細胞含核的部份，其形狀大小有很大差距，半徑約4～120微米。核大而圓，坐落細胞中央，染色質少，胚乳顯著。細胞質內有斑片狀的核外染色質（舊稱尼爾小體），還有許多神經元纖維。細胞凸起是由細胞體延展下來的狹長部份，又可分為樹突和軸突。每位神經元可以有一或多個樹突，可以接受剌激并將激動傳入細胞體。每位神經元只有一個軸突，可以把激動從胞體傳送到另一個神經元或其他組織，如胸肌或胃壁。在外周神經系統中，我們所見到的神經纖維都是軸突。各類神經元軸突粗細長短均不相同，通常較粗的軸突傳導速率較快，反之較慢絕大多數軸突半徑為30～50微米。
在一些大動物體內軸突可以歷時幾米，人體中最長的軸突大概為一米。在電生理實驗中，可以以一定硬度與頻度的電壓脈沖剌激細胞，就形成了動作電位。通常的實驗對象是馬蹄蟹的視神經纖維或烏賊魚巨纖維做實驗。借助紅蟲神經索的巨纖維也可挺好地說明在單根纖維上傳導著的動作電位的行為。第3節動作電位指可激動細胞遭到剌激而激動時，在靜息電位的基礎上膜外側的電位發生快速而可逆的倒轉和復原。這些電位變化叫做動作電位極化（）——膜外側存在的內負外正的電位狀態。去極化（）——膜電位絕對值漸漸減弱的過程。超極化（Over-）——膜電位絕對值低于靜息電位的狀態。復極化（）——膜電位去極化后逐漸恢復極化狀態的過程。動作電位，相對于靜息電位，是細胞和組織去極化的過程。它是具有一定頻度和振幅特點的生物電位，是活系統激動的一種外在表現。動作電位的出現是一切激動細胞和組織，非常是比較高等、復雜結構生物對象的本性。它可起因于組織本身的內在過程，如腦電、心電等，也可來自外界的人為形成，如離體細胞組織在不同剌激誘因作用下形成的電位，或來自外部體會裝置的傳入脈沖。
動作電位包括三個基本過程：（1）去極化，膜內原先存在的負電位迅速消失，即膜電位的極化狀態消失。（2）超極化，繼去極化以后，繼而發展為極化狀態倒轉，即轉變為膜內為正，膜外為負。（3）復極化，膜內電位達到頂峰后開始回升，恢復至原先靜息電位水平。第一階段：動作電位上升支的產生（去極化相的產生）形成緣由：因為剌激造成膜對Na+的私密性頓時減小（Na離子通道被激活），膜外的Na+內流，使膜電位由-70mV降低至0mV，因而上升為+30mV，Na+通道急劇失活。第二階段：動作電位升高支產生：Na+通道失活后，膜恢復了對K+的私密性，大量的K+外流。使膜電位由正值向負值轉變，產生了動作電位的增長支。動作電位是在極短的時間內形成的，因而，在體外描記的圖形為一個短促而尖銳的脈沖圖形，似山峰般，稱為峰電位（）。第三階段：后電位的產生：當膜電位接近靜息電位水平時，K+的跨膜轉運停止。此后，膜上的Na+-K+泵（Na+-K+-ATP酶）被激活，將膜內的Na+離子向膜外轉運，同時，將膜外的K+向膜內運輸，產生了負后和正后電位。通過解釋靜息電位和峰值電位的來源早已初步剖析了動作電位波形的主要方面，并且要想考慮動作電位的整個時間過程，這種還是不夠的。
比如為何電位上升很快而回降較慢?當考察同一種昆蟲的不同神經和胸肌上的動作電位時，或是當考察不同種鳥類的同一神經或胸肌上的動作電位時，為什么觀察到在動作電位的形狀和時間過程上有許多變化等等。要想回答有關時間過程的問題就須要有關膜行為的更適宜的模型，而這必須構建在廣泛的實驗結果的基礎上。1.膜的熱學模型和并聯濁度模型——這個模型給出了剖析各個組成離子電壓的框架2.電流嵌位實驗的結果——電壓嵌位實驗用以評價各個離子電壓的最重要的實驗工具3.-等式。這種等式總結了由電流嵌位實驗所獲得的實驗數據，成功地解釋了動作電位的各個方面，描述了相應的各類離子的運動。4.借助-多項式進行動作電位的數值仿真。第4節細胞膜的熱學模型第5節電流固定的膜電壓研究第6節-多項式第7節對膜動作電位的仿真膜電位/靜息電位:細胞生命活動過程中伴隨的電現象，存在于細胞膜外側的電位差稱膜電位。()一般是指以膜相隔的兩堿液之間形成的電位差。生物細胞被以半透性細胞膜，而膜兩側呈現的生物電位就是這些電位，平時把細胞內外的電位差叫膜電位。
假如把兩種電解質用膜隔開，使左側富含不能透過該膜的粒子，因為這些影響，左側電解質的分布便發生了變化，一旦董南（）膜平衡完善膜右側還會有董南膜電位。假如兩邊沒有這些不透性離子，但只要把含量不同的兩種電解質以膜隔開，在陽離子和陰離子透過膜的速率不同時，膜外側也會形成電位差。在膜右側放0.1和0.01N的KCl堿液時形成的膜電位，作為表現膜特點的電位，則稱為標準電位差，其值最大可達58mV。膜電位的存在和各類影響導致的這種變化是靜止電位和動作電位的動因。閾電位：當細胞遭到一次閾剌激或閾上剌激時，受激細胞膜上Na通道少量開放，出現Na少量內流，使膜的靜息電位值減少而發生去極化。當去極化進行到某一臨界值時，因為Na通道的電流依從性，導致Na通道大量激活、開放，致使Na迅速大量內流而爆發動作電位。這個足以使膜上Na通道忽然大量開放的臨界膜電位值，稱為閾電位。閾電位比靜息電位約小10mV～20mV。如神經纖維的靜息電位是-70mV，其閾電位約為-55mV。任何剌激只要能使膜從靜息電位去極化到閾電位，便能觸發動作電位，導致激動。有人將閾電位稱為燃點，這是十分形象化的術語。從電生理的角度來看，激動是指動作電位的形成過程或動作電位的同義語，而激動性則是細胞受剌激時形成動作電位的能力。
激動性的基礎是靜息電位，所以靜息電位值或靜息電位與閾電位的距離大小，可影響細胞的激動性。如二者距離減小，細胞的激動性增長。動作電位（1）概念：可激動組織或細胞遭到閾上剌激時，在靜息電位基礎上發生的快速、可逆轉、可傳播的細胞膜外側的電變化。動作電位的主要成份是峰電位。（2）產生條件：①細胞膜外側存在離子含量差，細胞膜內K+含量低于細胞膜外，而細胞外Na+、Ca2+、Cl-低于細胞內，這些含量差的維持借助離子泵的主動轉運。（主要是Na+-K+泵的轉運）。②細胞膜在不同狀態下對不同離子的私密性不同，比如，安靜時主要容許K+通透，而去極化到閾電位水平時又主要容許Na+通透。③可激動組織或細胞受閾上剌激。（3）產生過程：≥閾剌激→細胞部份去極化→Na+少量內流→去極化至閾電位水平→Na+內流與去極化產生正反饋（Na+爆發性內流）→達到Na+平衡電位（膜內為正膜外為負）→形成動作電位上升支。膜去極化達一定電位水平→Na+內流停止、K+迅速外流→形成動作電位升高支。（4）產生機制：動作電位上升支——Na+內流所致。動作電位的幅度決定于細胞內外的Na+含量差，細胞外液Na+含量減少動作電位幅度也相應增加，而阻斷Na+通道（河豚毒）則能制約動作電位的形成。
動作電位升高支——K+外流所致。動作電位時細胞遭到剌激時細胞膜形成的一次可逆的、可傳導的電位變化。形成的機制為①閾剌激或閾上剌激使膜對Na+的私密性降低，Na+順含量梯度及電位差內流，使膜去極化，產生動作電位的上升支。②Na+通道失活，而K+通道開放，K+外流，復極化產生動作電位的增長支。③鈉泵的作用，將步入膜內的Na+泵出膜外，同時將膜外多余的K+泵入膜內，恢復激動前是離子分布的含量。神經膜的并聯濁度模型給出了一小塊神經膜的一個簡單的熱學表示，它被稱為并聯濁度模型。每一支路表示某一特定種類的離午時整個跨膜電壓的貢獻。假定對K，Na，Cl有獨立的濁度通道。細胞外細胞內第4節細胞膜的熱學模型內負外正膜電位K+多Cl-少Na+少InOut舉例說，假如膜電位是Vm，那末鉀的凈驅動力是(Vm-EK)，也就是對平衡條件的偏離。由于鉀電壓反比于電流(Vm-EK)，因而比列系數就是濁度的單位。把鉀濁度記為gK(其值依賴于Vm和t)，因而靜息時，Ic=0要想列舉對跨膜電壓的所有貢獻，我們還要加上電容性(或位移)電壓，它就是穩態時，這就是并聯濁度多項式。它描述了Vm如何作為與相對導電性有關的EkECl和ENa的某種加權平均。
這一表達式只有在假設的穩態條件下才是正確的。由烏賊軸突的細胞內外各類離子的含量值，我們可到其電位：Ek=-74.=-65.=54.2mV假設存在下述“典型”值：gk=0.367mS/=0.582mS/=0.010mS/cm2我們來看電位和導電性對穩態跨膜電位有何影響。由以上數據代入式并聯濁度多項式，得到Vm=-68.0mV對于這樣的靜息電位才會有穩定的鉀外流。這個外流為Vm和Ek差值6.7mV所驅動。這時也會有鈉的內流，它為Vm偏離開它的平衡電位的差值122.2mV所驅動。這個大的驅動力作用在比較低的導電性上，因而鉀的外流和鈉的內流大致平衡而維持穩態(我們仍然假設氯實際上處于平衡)。Ek=-74.=-65.=54.2mV第5節電流固定的膜電壓研究“電壓嵌位”一直是用以評估動作電位期間離子電壓時間過程的最重要的工具。電流嵌位追溯在動作電位期間，跨膜電壓的成份包括離子流和電容性（充電）電壓。由于膜電容是不變的，則前者等于CmdVm/dt。若果在膜兩側加上前饋電流（即加上恒定的跨膜電位），電路中就不再有電容性成份，因此也就簡化了對有關電壓的剖析，這時電壓必將完全由離子成份構成。
由歐姆定理可知，內阻一定時，電壓發生改變，必然導致膜電位急劇變化，這樣就難以觀察膜電位對離子流的影響。通過將膜電位鉗制在不同水平，以防止離子流反過來影響電流值。通常而言，膜對某種離子私密性的變化是膜電位和時間的函數。用玻璃微電極插入細胞內，借助電子學技術施加一跨膜電流并把膜電位固定于某一數值，可以測定該膜電位條件下離子電壓隨時間變化的動態過程。借助抗生素或改變細胞內外的氨水成份，使其他離子通道失效，即可測定被研究的某種離子通道的功能性熱阻，剖析離子電壓的穩態和動力學與膜電位、離子含量等之間的關系，可推測該種通道的濁度、活化和失活速度、離子選擇性等，并能檢測和剖析通道的門控電壓的特點。圖中電極1插入巨大神經軸突內一定距離，拿來檢測和監察這一段軸突膜內的電位，此電極先連到一個電流放大器，再在一個示波器上顯示；電極1測得電位值經放大后同時輸給一個負反饋放大器（FBA），這是整個儀器設計的關鍵部份，它可把測得的膜內電位同來自一個電流源的、由實驗者預先設定的要求保持恒定的電位值進行比較，假如兩者有差值，FBA都會通過電極2向軸突膜內輸出相應硬度和方向的電壓，因為儀器線路的精密設計和快速反應，電極2輸出電壓的改變正足以補償標本因為跨膜離子電壓使膜充放電而導致的跨膜電位的變動，于是與電極1相邊的示波器上顯示出膜內電位固定在設定的數值，而在電流放大器IA上測得的跨膜離子電壓的變化，就反映了膜濁度的變化。
020-（ms）（mA/cm2)al（mV)在t=0時應用電流嵌位條件下烏賊軸突的離子電壓Vm=20mV，靜息電位-（mA/cm2)在t=0時應用電流嵌位條件下烏賊軸突的離子電壓，靜息電位-60mV,ENa=57mV能斯特電位電流鉗實驗結果示意圖單獨觀察Na+電壓，可用TEA（，四甲基胺）阻斷K+外流后得到；單獨觀察K+外流，則用TTX（，河豚毒）阻斷Na+內流后得到第6節-多項式(霍奇金)和(赫胥黎)從她們在烏賊軸突的電流嵌位實驗中所收集得到的數據構建了知名的定量模型。模擬電流嵌位實驗數據模擬動作電位傳播將離子電壓和其驅動力聯系上去濁度的計算方式：按照相應的電流嵌實驗數據，換算出相應的濁度數據關于鉀濁度的假設：關于鈉濁度：-方程式中的n、m和h都是機率；第7節對膜動作電位的仿真采用-多項式對膜動作電位進行仿真假設開始時在一段時間T內的去極化電壓為Id把時間t離散化-~dst/HHsim/